小型混響艙測(cè)量材料吸聲系數(shù)

許 力

（杭州愛(ài)華儀器有限公司，杭州311112）

材料的吸聲系數(shù)是一項(xiàng)重要的材料聲學(xué)性能指標(biāo)，其對(duì)分析材料在工業(yè)生產(chǎn)及生活中應(yīng)用有重要指導(dǎo)作用。材料的吸聲系數(shù)測(cè)量方法一般分為混響室法與駐波管法，采用混響室法測(cè)量聲音無(wú)規(guī)入射時(shí)的吸聲系數(shù)，而采用駐波管法測(cè)量聲音正入射（聲音入射角度為90°）時(shí)的吸聲系數(shù)。因在工程及建筑的實(shí)際使用過(guò)程中聲音大多為無(wú)規(guī)入射，因此實(shí)際工程中常使用混響室法測(cè)量材料吸聲系數(shù)。

混響室法測(cè)量是基于規(guī)范ISO 354:2003 與GB/T 20247－2006《聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量》的相關(guān)要求，采用表面積為10 m2～12 m2的標(biāo)準(zhǔn)試件在標(biāo)準(zhǔn)混響室（體積不小于200 m3）內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。但在汽車行業(yè)中，因其需要測(cè)量的均為小型不規(guī)則試件，不滿足標(biāo)準(zhǔn)混響室法測(cè)量所要求的標(biāo)準(zhǔn)試件大小?；谶@種實(shí)際情況，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers）提出使用小混響艙來(lái)測(cè)量小試件無(wú)規(guī)入射吸聲系數(shù)的方法，并制定了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，即SAE J2883 2015《Laboratory Measurement of Random Incidence sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room》，這就是所謂的小混響艙（Alpha-cabin）法[1]。

小型混響艙本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種縮小尺寸的混響室，對(duì)于小型不規(guī)則形狀的材料及產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的混響室法與駐波管法測(cè)量均不適用，而小混響艙則可測(cè)量形狀、體積不規(guī)則的物體吸聲性能，可廣泛應(yīng)用于汽車及其零配件行業(yè)。

1 小混響艙國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于小混響艙（Alpha-Cabin）的結(jié)構(gòu)和制造并沒(méi)有統(tǒng)一的ISO 標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以只要求其功能滿足艙內(nèi)聲場(chǎng)為擴(kuò)散聲場(chǎng)，即：艙內(nèi)各點(diǎn)的平均能量密度相等；艙內(nèi)各點(diǎn)從各方向來(lái)的平均能量流相等；到達(dá)某點(diǎn)的各波束間的相位是無(wú)規(guī)的[2]。

這樣的小混響艙即可作為小型混響室進(jìn)行試件的吸聲系數(shù)測(cè)量。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)小混響艙的廠家較少，其相關(guān)文獻(xiàn)也較少，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有小混響艙相關(guān)規(guī)范由美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)提出，國(guó)內(nèi)還未有明確的相關(guān)法規(guī)、規(guī)范；但小混響艙所具備的便攜性及其可以測(cè)量形狀、體積不規(guī)則的試件吸聲性能的特性，在汽車零配件如車內(nèi)飾件、隔聲罩等的聲學(xué)測(cè)量中具有重要意義。基于小混響艙的優(yōu)點(diǎn)，可將其應(yīng)用于測(cè)量聲負(fù)載的吸聲系數(shù)、聲阻抗等，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行及時(shí)的反饋與優(yōu)化。

2 小混響艙實(shí)驗(yàn)測(cè)量及基本參數(shù)

2.1 小混響艙的基本情況

小混響艙本質(zhì)上就是一個(gè)體積縮小許多的混響室，其試樣測(cè)試過(guò)程和方法與混響室法基本一致。一般來(lái)說(shuō)，將它的容積V控制在6 m3～25 m3，小混響艙包括一個(gè)主混響室，室內(nèi)一般有若干個(gè)聲源及4個(gè)以上傳聲器，配合主混響室的隔聲屏體以及信號(hào)采集處理系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

2.2 小混響艙的形狀尺寸

為減少室內(nèi)特征頻率的簡(jiǎn)并，混響室的長(zhǎng)、寬、高一般滿足一個(gè)類似調(diào)和級(jí)數(shù)的比例關(guān)系：1：21/3：41/3。為保證小混響艙內(nèi)聲場(chǎng)更加趨近擴(kuò)散聲場(chǎng)，還應(yīng)對(duì)小混響艙的尺寸進(jìn)行以下限制：

（1）小混響艙內(nèi)部任意兩個(gè)面都必須相互不平行；

（2）小混響艙艙內(nèi)任意兩條棱邊都應(yīng)不一樣長(zhǎng)；

（3）小混響艙的最大線度滿足lmax＜1.9V1/3；

（4）小混響艙內(nèi)部需安裝擴(kuò)散體來(lái)進(jìn)一步趨近擴(kuò)散聲場(chǎng)[3]。

本實(shí)驗(yàn)中，小混響艙的外部尺寸確定為2 510 mm×2 640 mm×2 528 mm，內(nèi)部實(shí)驗(yàn)空間整體呈不規(guī)則的多邊形，其任意兩個(gè)面均不平行，其總?cè)莘eV約為9.26 m3。

2.3 小混響艙實(shí)驗(yàn)測(cè)中測(cè)試試件

根據(jù)SAE J2883－2015 中的要求，試件面積需控制在1 m2～1.2 m2，且不超過(guò)地板面積的30 %。小混響艙內(nèi)部地面面積為4.59 m2，所選擇的試驗(yàn)的樣品尺寸為1 m×1.2 m（1.2 m2），滿足以上要求，適用于6 m3至25 m3之間的小混響艙。

2.4 小混響艙的測(cè)量范圍

小混響艙一般用于汽車行業(yè)樣品的檢查，而因受到其本身容積V的限制，可測(cè)量的下限頻率較高，在低頻范圍內(nèi)測(cè)量誤差較大。其一般測(cè)量頻率范圍在250 Hz 至8 000 Hz 之間，其測(cè)量下限頻率由小混響艙內(nèi)部容積V決定，如表1所示。

表1 容積V和下限截止頻率的關(guān)系

在該次測(cè)量中，小混響艙的內(nèi)部容積V約為9.3 m3，故選取400 Hz～10 000 Hz 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其他頻率數(shù)據(jù)只作參考。

3 采用小混響艙（Alpha-cabin）法測(cè)量材料吸聲系數(shù)

3.1 小混響艙法中的測(cè)試設(shè)備

小混響艙法中測(cè)量設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 小混響艙的測(cè)試原理圖

3.1.1 聲源

聲源應(yīng)為一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器，最好具有全方位輻射模式，這樣小混響艙可根據(jù)規(guī)范的要求確保房間內(nèi)的擴(kuò)散。如果使用多個(gè)聲源，它們之間的距離應(yīng)至少為聲波波長(zhǎng)的1/4。在有聲源運(yùn)行的房間內(nèi)測(cè)量的聲壓級(jí)應(yīng)至少比該房間在每個(gè)測(cè)量頻帶內(nèi)的背景噪聲高45 dB。背景噪聲包括混響室的環(huán)境噪聲和測(cè)量系統(tǒng)的電氣噪聲。

3.1.2 傳聲器

用于測(cè)量的傳聲器應(yīng)具備全指向性特征，在任何1/3倍頻程頻率范圍和所測(cè)量的聲壓級(jí)內(nèi)，其平坦隨機(jī)入射振幅響應(yīng)在±1 dB范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)設(shè)置多個(gè)傳聲器位置進(jìn)行測(cè)量。

3.1.3 功率放大器

其用于保證輸出信號(hào)滿足實(shí)驗(yàn)需求。

3.1.4 分析系統(tǒng)

該分析設(shè)備用于獲取室內(nèi)測(cè)量信號(hào)的脈沖響應(yīng)，并以此確定衰減曲線或進(jìn)行進(jìn)一步分析的記錄器，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備清單見(jiàn)表2所示。

表2 小混響艙法中材料與吸聲實(shí)驗(yàn)儀器配置清單

3.2 小混響艙測(cè)試的環(huán)境條件

3.2.1 環(huán)境條件

所有測(cè)量過(guò)程中，平均試驗(yàn)溫度應(yīng)不低于15°C，室內(nèi)平均相對(duì)濕度應(yīng)至少為50%，建議在6.3 kHz以上的連續(xù)測(cè)量中有60%的相對(duì)濕度。

空?qǐng)鲂』祉懪撆c放試件后的小混響艙溫度變化應(yīng)不大于±1°C，相對(duì)濕度變化應(yīng)不大于±2%，大氣壓力變化應(yīng)不大于±30 kPa。

3.2.2 試件的放置條件

測(cè)量試件應(yīng)放置在地板上，避免與地板長(zhǎng)度和寬度具有任何對(duì)稱性，即樣品的任何側(cè)面均不得與房間的墻壁平行，試件的邊緣應(yīng)用框架進(jìn)行密封，其框架本身不應(yīng)有明顯的吸聲性能。

3.3 小混響艙法中的測(cè)試方法

采用小混響艙法測(cè)量試件吸聲系數(shù)方法基本同混響室法，同樣分為中斷聲源法與脈沖響應(yīng)法[4]。

3.3.1 中斷聲源法

（1）在可測(cè)量的頻率范圍內(nèi)（即從房間的截止頻率到要進(jìn)行測(cè)量的最高頻率）生成一個(gè)具有連續(xù)頻譜的隨機(jī)噪聲測(cè)試信號(hào)帶。如果不能做到這一點(diǎn)，可接受連續(xù)頻譜至少覆蓋1/3倍頻程帶寬的帶限信號(hào)。對(duì)于該測(cè)量，信號(hào)不需要具有任何預(yù)定或參考頻譜。一般實(shí)驗(yàn)中采用粉紅噪聲或白噪聲。

（2）對(duì)于測(cè)試信號(hào)應(yīng)開(kāi)啟足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便在信號(hào)關(guān)閉前使在小混響艙內(nèi)的所有頻段產(chǎn)生穩(wěn)定狀態(tài)的聲級(jí)。

（3）每個(gè)測(cè)量波段中的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)應(yīng)足夠高，以便每個(gè)測(cè)量波段中衰減率評(píng)估范圍內(nèi)較低分貝的聲級(jí)至少高于背景噪聲15 dB。為了保持這一要求，穩(wěn)態(tài)測(cè)試信號(hào)應(yīng)至少比每個(gè)測(cè)量波段的背景噪聲高45 dB，以根據(jù)聲壓級(jí)下降25 dB 來(lái)確定衰減率。當(dāng)測(cè)量樣品時(shí)，需要在相同的前置放大器和分析儀設(shè)置條件下測(cè)量背景噪聲聲級(jí)，以確定測(cè)量中設(shè)置的噪聲下限。

（4）打開(kāi)測(cè)試信號(hào)至少需要有一定的時(shí)間，使聲壓級(jí)在頻帶上以最小的衰減率下降25 dB。

（5）關(guān)閉測(cè)試信號(hào)。在100 ms至300 ms延遲后或在信號(hào)關(guān)閉時(shí)，當(dāng)聲壓級(jí)低于聲壓級(jí)5 dB 后，開(kāi)始測(cè)量每個(gè)測(cè)量頻段的聲壓級(jí)。這可確保在關(guān)閉信號(hào)期間造成的任何中斷或失真不包含在衰減率計(jì)算中。在每個(gè)Δt時(shí)間（稱為積分時(shí)間）測(cè)量并存儲(chǔ)每個(gè)測(cè)量頻段的聲壓級(jí)，直到聲級(jí)下降25 dB，如圖2所示。

圖2 聲級(jí)衰減示意圖

（6）存儲(chǔ)衰減率測(cè)量結(jié)果，并對(duì)同一揚(yáng)聲器麥克風(fēng)位置重復(fù)測(cè)量至少4次。

（7）對(duì)同一傳聲器位置進(jìn)行的所有測(cè)量（總共至少5次）進(jìn)行平均。

3.3.2 脈沖響應(yīng)法

（1）在可測(cè)量的頻率范圍內(nèi)（即從房間的截止頻率到要進(jìn)行測(cè)量的最高頻率），每一次生成一個(gè)帶濾波的脈沖信號(hào)（例如對(duì)于每個(gè)1/3 倍頻程頻率）。將此信號(hào)輸入揚(yáng)聲器系統(tǒng)，以生成給定頻段的測(cè)試信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以是一個(gè)頻率調(diào)制的突發(fā)音或其他一些特殊的信號(hào)，可以產(chǎn)生帶濾波脈沖信號(hào)。

（2）每個(gè)1/3 倍頻程帶中的測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以便在衰減率評(píng)估范圍內(nèi)較低分貝處的聲壓級(jí)至少高于背景噪聲15 dB，并且至少有25 dB的評(píng)估范圍來(lái)計(jì)算衰減率，其中評(píng)估范圍從低于初始聲壓級(jí)5 dB開(kāi)始。

（3）存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)，并對(duì)相同的麥克風(fēng)揚(yáng)聲器位置以及不同的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)位置多次重復(fù)測(cè)量，以使空間獨(dú)立的測(cè)量衰減曲線數(shù)至少為12 個(gè)。因此，揚(yáng)聲器位置數(shù)乘以麥克風(fēng)位置數(shù)應(yīng)至少為12個(gè)，即12個(gè)麥克風(fēng)-揚(yáng)聲器組合。

（4）采集12 個(gè)麥克風(fēng)-揚(yáng)聲器組合中每一個(gè)帶濾波脈沖響應(yīng)，運(yùn)算直到脈沖響應(yīng)開(kāi)始的反向積分，并根據(jù)線性平方擬合計(jì)算衰減率。

（5）修正12 個(gè)麥克風(fēng)揚(yáng)聲器位置處空氣吸聲量。

（6）根據(jù)公式α=a/s確定吸聲系數(shù)。

在本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量中均采用中斷聲源法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體布置如圖3、圖4所示。

圖3 采用小混響艙測(cè)量材料吸聲系數(shù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量設(shè)備布置圖

圖4 采用小混響艙測(cè)量材料吸聲系數(shù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量試件布置圖

4 小混響艙與標(biāo)準(zhǔn)混響室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)

在比對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，所選擇的被測(cè)試件材料為50 mm厚鑄石吸聲棉。實(shí)驗(yàn)時(shí)將1 m2的鑄石吸聲棉放入容積V為10 m3的小混響艙內(nèi)，其四周邊框均不與小混響艙的內(nèi)框平行，被測(cè)試件四周用鋼制框架進(jìn)行圍擋，多次測(cè)量得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)；進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，將相同的材料10 m2平鋪于容積V為270 m3的標(biāo)準(zhǔn)混響室，其四周同樣采用框架進(jìn)行圍合[5]，實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析圖表如表3、圖5所示。

表3 50 mm鑄石吸聲棉吸聲系數(shù)測(cè)量對(duì)比

圖5 吸聲系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

同時(shí)為了驗(yàn)證小混響艙的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與一致性，在檢測(cè)驗(yàn)證過(guò)程中，對(duì)于小混響艙內(nèi)部空?qǐng)龌祉憰r(shí)間進(jìn)行了多次測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)，均隨機(jī)安排內(nèi)部傳聲器位置。結(jié)果證明該小混響艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)空?qǐng)龌祉憰r(shí)間基本一致，各點(diǎn)聲場(chǎng)均勻穩(wěn)定如表4所示。

表4 對(duì)小混響艙不同位置多次測(cè)量所得空?qǐng)龌祉憰r(shí)間比對(duì)/Hz

根據(jù)小混響艙的實(shí)際應(yīng)用要求，本次測(cè)量數(shù)據(jù)范圍選擇為400 Hz～10 000 Hz，對(duì)于400 Hz以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只做參考分析，得出下列初步結(jié)論：該次測(cè)量中，在400 Hz～10 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，基于小混響艙與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)混響室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)保持基本一致；該次測(cè)量中，對(duì)于400 Hz以下的低頻段，小混響艙內(nèi)各點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)差異較大，且對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)位置，多次測(cè)量普遍得出差異較大的結(jié)果，基本可知由于受限于小混響艙的整體體積，其對(duì)于低頻段的吸聲測(cè)量誤差較大。

對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)量材料吸聲系數(shù)的方法，小混響艙法有以下的優(yōu)點(diǎn)：如表5 所示，與標(biāo)準(zhǔn)混響室相比，小混響艙的占地面積更小，總體成本、造價(jià)更為低廉，安裝施工也較簡(jiǎn)單，而且可以準(zhǔn)確測(cè)量小試件在400 Hz 以上頻率吸聲系數(shù)；與駐波管法相比，小混響艙法可以測(cè)量形狀大小不規(guī)則的試件，且其可以測(cè)量均勻無(wú)規(guī)則入射時(shí)的吸聲系數(shù)，可以更好反映試件在實(shí)際使用中的情況，這更有價(jià)值。

表5 小混響艙和標(biāo)準(zhǔn)混響室的比較

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較小混響艙法和標(biāo)準(zhǔn)混響室這兩種測(cè)量測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)在小于400 Hz的低頻段，小混響艙內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)混響室內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)差異較大，其內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)多次測(cè)量的數(shù)據(jù)波動(dòng)較為明顯，初步分析是由于小混響艙本身內(nèi)部容積V有限，而低頻聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在其內(nèi)部無(wú)法形成均勻的聲場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如主要關(guān)注材料中高頻的吸聲系數(shù)，則可采用小混響艙進(jìn)行測(cè)試，如需檢測(cè)材料低頻段的聲學(xué)性能，則需在標(biāo)準(zhǔn)混響室內(nèi)進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

采用小混響艙測(cè)量材料試件吸聲系數(shù)的方法在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用還并不多，但因其造價(jià)較低，體積較小，便于安裝，尤其適宜于小試件和形狀復(fù)雜部件的吸聲特性的測(cè)量，不僅在汽車行業(yè)，在其它工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也將越來(lái)越普遍。